원격탐사에서 주로 사용되는 레이다 시스템에는 인공위성, 항공기 및 지상용 SAR 시스템을 비롯하여 산란계와 도플러 레이다 등이 있다. 이러한 시스템들은 고가의 장비들로 구성되며, 운용하는 데에 매우 전문적인 기술을 필요로 한다. 일반적인 대학이나 연구소에서는 장비의 구성과 운용에 대한 경험을 얻기 힘들기 때문에 레이다 및 SAR를 이용한 새로운 적용 분야를 이해하고 개척해 나아가는데 필수적인 하드웨어적 원리를 배우고 실습하기에 어려운 실정이다. 이를 극복하기 위하여 이 논문에서는 미국 MIT에서 제공하는 Cantenna 시스템의 설계도를 기반으로 한 레이다 시스템을 저가로 제작하고 실험한 내용을 소개한다. 제작된 레이다는 총 세 가지의 방식으로 운영되었는데, 첫째, 도플러 레이다를 이용하여 이동하는 차량의 속도를 측정하였고 둘째, 거리해상도를 가지는 레이다 방식을 이용하여 이동하는 두 물체의 움직임을 측정하였다. 마지막으로, 지상용 SAR 방식으로 방위각해상도를 높여 이차원의 영상을 획득하였다. 추가적으로 영상화에 사용되는 Deramp-FFT 알고리즘과 ${\omega}-k$ 알고리즘의 비교 및 안테나의 위치 측정 오차에 따른 영향을 분석하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 향후 샘플링 주파수의 증가, I/Q 샘플링 및 보다 안정적인 회로를 구현하면 무인 항공기에 탑재할 수 있는 가벼운 SAR 시스템으로도 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
원격탐사에서 주로 사용되는 레이다 시스템에는 인공위성, 항공기 및 지상용 SAR 시스템을 비롯하여 산란계와 도플러 레이다 등이 있다. 이러한 시스템들은 고가의 장비들로 구성되며, 운용하는 데에 매우 전문적인 기술을 필요로 한다. 일반적인 대학이나 연구소에서는 장비의 구성과 운용에 대한 경험을 얻기 힘들기 때문에 레이다 및 SAR를 이용한 새로운 적용 분야를 이해하고 개척해 나아가는데 필수적인 하드웨어적 원리를 배우고 실습하기에 어려운 실정이다. 이를 극복하기 위하여 이 논문에서는 미국 MIT에서 제공하는 Cantenna 시스템의 설계도를 기반으로 한 레이다 시스템을 저가로 제작하고 실험한 내용을 소개한다. 제작된 레이다는 총 세 가지의 방식으로 운영되었는데, 첫째, 도플러 레이다를 이용하여 이동하는 차량의 속도를 측정하였고 둘째, 거리해상도를 가지는 레이다 방식을 이용하여 이동하는 두 물체의 움직임을 측정하였다. 마지막으로, 지상용 SAR 방식으로 방위각 해상도를 높여 이차원의 영상을 획득하였다. 추가적으로 영상화에 사용되는 Deramp-FFT 알고리즘과 ${\omega}-k$ 알고리즘의 비교 및 안테나의 위치 측정 오차에 따른 영향을 분석하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 향후 샘플링 주파수의 증가, I/Q 샘플링 및 보다 안정적인 회로를 구현하면 무인 항공기에 탑재할 수 있는 가벼운 SAR 시스템으로도 발전할 수 있을 것으로 기대된다.
Radar systems are used in remote sensing mainly as space-borne, airborne and ground-based Synthetic Aperture Radar (SAR), scatterometer and Doppler radar. Those systems are composed of expensive equipments and require expertise and professional skills for operation. Because of the limitation in gett...
Radar systems are used in remote sensing mainly as space-borne, airborne and ground-based Synthetic Aperture Radar (SAR), scatterometer and Doppler radar. Those systems are composed of expensive equipments and require expertise and professional skills for operation. Because of the limitation in getting experiences of the radar and SAR systems and its operations in ordinary universities and institutions, it is difficult to learn and exercise essential principles of radar hardware which are essential to understand and develop new application fields. To overcome those difficulties, in this paper, we present the construction and experiment of a low-cost educational radar system based on the blueprints of the MIT Cantenna system. The radar system was operated in three modes. Firstly, the velocity of moving cars was measured in Doppler radar mode. Secondly, the range of two moving targets were measured in radar mode with range resolution. Lastly, 2D images were constructed in GB-SAR mode to enhance the azimuth resolution. Additionally, we simulated the SAR raw data to compare Deramp-FFT and ${\omega}-k$ algorithms and to analyze the effect of antenna positional error for SAR focusing. We expect the system can be further developed into a light-weight SAR system onboard a unmanned aerial vehicle by improving the system with higher sampling frequency, I/Q acquisition, and more stable circuit design.
Radar systems are used in remote sensing mainly as space-borne, airborne and ground-based Synthetic Aperture Radar (SAR), scatterometer and Doppler radar. Those systems are composed of expensive equipments and require expertise and professional skills for operation. Because of the limitation in getting experiences of the radar and SAR systems and its operations in ordinary universities and institutions, it is difficult to learn and exercise essential principles of radar hardware which are essential to understand and develop new application fields. To overcome those difficulties, in this paper, we present the construction and experiment of a low-cost educational radar system based on the blueprints of the MIT Cantenna system. The radar system was operated in three modes. Firstly, the velocity of moving cars was measured in Doppler radar mode. Secondly, the range of two moving targets were measured in radar mode with range resolution. Lastly, 2D images were constructed in GB-SAR mode to enhance the azimuth resolution. Additionally, we simulated the SAR raw data to compare Deramp-FFT and ${\omega}-k$ algorithms and to analyze the effect of antenna positional error for SAR focusing. We expect the system can be further developed into a light-weight SAR system onboard a unmanned aerial vehicle by improving the system with higher sampling frequency, I/Q acquisition, and more stable circuit design.
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문제 정의
이 논문에서는 MIT에서 교육용으로 제공하는 Cantenna 시스템(MIT OpenCourseWareWebsite, 2011)의 설계도를 기반으로 중심주파수 2.4 GHz, 최대대역폭 334 MHz, 샘플링 주파수 44.1 KHz, 펄스시간 0.02 초, 편파 VV인 레이다를 수십 만원대의 가격에 제작하고 실험한 내용을 소개하였다. 먼저, 제작된 레이다의 개요와 기본적인 작동원리를 서술하였으며 자료해석에 필요한 기본적인 원리들을 설명하였다.
제안 방법
3 m이다. 50 m 거리를 한 사람은 달리고 한 사람은 걸어서 왕복하는 방식으로 실험하였다. Fig.
거리 레이다로 다른 속도로 움직이는 두 대상체의 시계열적인 위치변화를 측정하였다. SAR를 이용하여 건물에 대하여 이차원적 영상을 획득하였다. 또한 측정 시 안테나 위치의 흔들림에 대한 시뮬레이션을 통하여 영상화에 어떤 영향을 주는지 파악하였다.
도플러 레이다를 이용하여 시내에서 운행하는 자동차의 속도를 측정하였다. 거리 레이다로 다른 속도로 움직이는 두 대상체의 시계열적인 위치변화를 측정하였다. SAR를 이용하여 건물에 대하여 이차원적 영상을 획득하였다.
이 연구에서는 MIT Cantenna를 기반으로 S-밴드 레이다의 제작에 성공했으며, 이를 이용하여 도플러 레이다, 거리 레이다, SAR 영상 획득에 성공하였다. 도플러 레이다를 이용하여 시내에서 운행하는 자동차의 속도를 측정하였다. 거리 레이다로 다른 속도로 움직이는 두 대상체의 시계열적인 위치변화를 측정하였다.
SAR를 이용하여 건물에 대하여 이차원적 영상을 획득하였다. 또한 측정 시 안테나 위치의 흔들림에 대한 시뮬레이션을 통하여 영상화에 어떤 영향을 주는지 파악하였다.
또한, SAR 원시자료를 생성하는 시뮬레이션 프로그램을 통하여 SAR 영상 화에 널리 사용되는 Deramp-FFT 알고리즘과 ω-k 알고리즘의 비교 및 안테나 측정 위치 오차에 대한 영향을 분석하였다.
또한, SAR 원시자료를 생성하는 시뮬레이션 프로그램을 통하여 SAR 영상 화에 널리 사용되는 Deramp-FFT 알고리즘과 ω-k 알고리즘의 비교 및 안테나 측정 위치 오차에 대한 영향을 분석하였다. 레이다 제작을 위한 제품들의 목록과 상세한 회로도를 별지에 첨부하였다.
먼저, 야외 실험 전에 시스템의 특성을 검증하기 위하여 원시자료를 생성하고 영상화를 하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 레이다 시스템은 스캔길이 2.
02 초, 편파 VV인 레이다를 수십 만원대의 가격에 제작하고 실험한 내용을 소개하였다. 먼저, 제작된 레이다의 개요와 기본적인 작동원리를 서술하였으며 자료해석에 필요한 기본적인 원리들을 설명하였다. 이 레이다는 총 세 가지의 모드로 운용되었는데, 도플러 레이다 모드로 움직이는 대상체의 속도를 측정하였으며, 거리 레이다 모드로 다른 속도로 움직이는 두 대상체의 시계열적인 위치변화를 측정하였고, SAR 모드로 이차원 영상을 획득하였으며 이를 위성영상과 비교하였다.
시스템은 상대적으로 근거리에 위치한 대상체를 대상으로 실험을 하였기 때문에 ω-k Algorithm을 사용하여 영상화를 수행하였다.
특히, 이 실험에서는 사람의 손으로 안테나를 이동시키면서 측정했기 때문에 측정과정에서 안테나의 위치에 에러가 발생할 수 있다. 안테나 위치 오차가 영상화에 미치는 영향을 분석하기 위하여 시뮬레이션 수행하였다. Fig.
먼저, 제작된 레이다의 개요와 기본적인 작동원리를 서술하였으며 자료해석에 필요한 기본적인 원리들을 설명하였다. 이 레이다는 총 세 가지의 모드로 운용되었는데, 도플러 레이다 모드로 움직이는 대상체의 속도를 측정하였으며, 거리 레이다 모드로 다른 속도로 움직이는 두 대상체의 시계열적인 위치변화를 측정하였고, SAR 모드로 이차원 영상을 획득하였으며 이를 위성영상과 비교하였다. 또한, SAR 원시자료를 생성하는 시뮬레이션 프로그램을 통하여 SAR 영상 화에 널리 사용되는 Deramp-FFT 알고리즘과 ω-k 알고리즘의 비교 및 안테나 측정 위치 오차에 대한 영향을 분석하였다.
그리고 전기부분으로 들어와 증폭된 후 샘플링 된다. 이 시스템은 현재까지 실수 영역의 자료와 linear-chirp이 시작되는 부분을 감지하기 위한 Sync 신호를 샘플링을 하고 허수영역에서는 샘플링이 불가능하며, 허수 부분은 Hilbert 변환을 통해 구한다 (3장에서 설명). 전기부분과 RF부분의 배선을 약간 수정함으로써 시스템의 대역폭 및 중심주파수의 변경이 가능하며, 도플러 레이다, 거리 레이다, SAR 총 세 가지의 모드로 사용 가능하다.
이 연구에서는 MIT Cantenna를 기반으로 S-밴드 레이다의 제작에 성공했으며, 이를 이용하여 도플러 레이다, 거리 레이다, SAR 영상 획득에 성공하였다. 도플러 레이다를 이용하여 시내에서 운행하는 자동차의 속도를 측정하였다.
자료의 노이즈를 감소하기 위해 Range Hanning 필터를 적용한 후에 MIT에서 제공하는ω-k Algorithm으로 코딩 된 프로그램(Charvat, 2007; Walter, 1995)과 GB-SAR 영상화에 사용되는 DerampFFT Algorithm(DFA)을 적용하여 각각 영상화하고 비교 하였다.
대상 데이터
SAR 야외실험에서는 강원대학교에 위치한 건물 옥상에서 다른 건물을 바라보며 2차원 영상을 획득했다. 실험에 사용된 레이다 시스템의 특성은 앞에서 수행한 시뮬레이션의 레이다 특성과 같다.
거리 레이다 실험은 공터에서 서로 다른 속도로 이동 하는 두 사람을 대상으로 수행하였다. 측정에 사용된 FM-CW의 특성은 중심주파수 2.
7은 시뮬레이션에서 사용된 대상체들의 기하학적 위치이다. 대상체들은 Range와 Azimuth 방향으로 각각 20 m 간격으로 4 x 4 개로 배열하였으며, 레이다에서 대상체들의 중심까지의 거리는 100 m 이다.
시뮬레이션에 사용된 레이다 시스템은 스캔길이 2.48 m, 스캔간격 4 cm, 중심주파수 2.4 GHz, 대역폭 320 MHz, 거리해상도 0.5 m, 각해상도(azimuth resolution) 1.5° 이고, 최대관측거리는 ω-k Algorithm과 DFA에서 각각 150 m, 205 m이다.
06 km/h이다. 실험은 강원 대학교 주변의 도로 옆 인도에서 지나가는 자동차의 속도를 측정하였다. Fig.
1). 안테나는 A-INFO 사의 2-18 GHz Broadband Horn Antenna 두 개를 사용하였고 신호의 송신과 수신을 각각 담당한다. RF부분은 FrequencyModulated Continuous-Wave(FM-CW) 신호를 생성하고 변조하며, 수신된 신호를 송신된 신호와 합성하여 복조하는 역할을 담당한다.
는 도플러 주파수, c는 빛의 속도이다. 이 실험에서 사용한 마이크로파의 주파수는 2.5 GHz (S-band)의 연속파로서, 거리 레이다 및 SAR 때와는 다르게 함수발생기를 꺼두어 단일 주파수를 발생시킨다. Table 1의 샘플링 조건으로 측정할 때 속도해상도는 0.
거리 레이다 실험은 공터에서 서로 다른 속도로 이동 하는 두 사람을 대상으로 수행하였다. 측정에 사용된 FM-CW의 특성은 중심주파수 2.4 GHz, 대역폭 110 MHz, 거리해상도(rangeresolution)는 1.3 m이다. 50 m 거리를 한 사람은 달리고 한 사람은 걸어서 왕복하는 방식으로 실험하였다.
성능/효과
Fig. 8은 시뮬레이션 실험 결과로서, 두 알고리즘 모두 성공적으로 영상화가 이루어져 16개의 대상체 모두 깨끗하게 구분 할 수 있었다. ω-k Algorithm은 영상의 폭이 좁고 최대 관측거리에도 제한이 있지만 거리에 상관없이 영상화가 잘 이루어진 것을 볼 수 있었다.
그림에서 측정된 자동차의 속도는 최대 시속 45 km로 시내에서의 일반적인 자동차의 속도로 측정되었다. 또한 차량의 진행방향에 따라서 차량의 속도가 바뀌는 것처럼 관측되었는데, 이는 차량의 속력은 일정하였으나 레이다 방향과 차량의 진행방향이 평행하지 않아 레이다에서 멀어 지는 차량은 시간에 따라 속력이 증가하는 것처럼 보이고, 레이다에 접근하는 차량의 속력은 감소하는 것처럼 보이게 된다.
또한, ω-k Algorithm의 특성상 영상의 좌우 양 끝에서 접힘(folding) 이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
이 실험은 S-band 레이다를 제작하고 교육용으로 사용할수 있다는 것을 보여주며, 제작비용이 수십 만원이기 때문에 대학이나 연구소에서 교육용으로 사용하기에 부담되지 않을 것으로 판단된다. 이로써 우리나라에 부족한 레이다 분야의 전문인력을 교육하는 데에 도움을 줄 것이라 생각된다.
10은 안테나 위치 측정 오차가 없을 때, 1 cm, 3 cm, 그리고 5 cm의 측정오차가 발생했을 때를 각각 시뮬 레이션 한 결과이다. 측정오차가 커지면서 영상화가 잘 이루어지지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 또한, ω-k Algorithm의 특성상 영상의 좌우 양 끝에서 접힘(folding) 이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
후속연구
이로써 우리나라에 부족한 레이다 분야의 전문인력을 교육하는 데에 도움을 줄 것이라 생각된다. 그러나 이 논문에서 제작된 레이다는 오디오 리코더 시스템을 이용한 낮은 샘플링 주파수(44.1 KHz)의 한계, 허수 영역에서의 샘플링이 불가능한 점, 그리고 기계적인 출력문제 등의 한계점을 가지고 있다. 이러한 시스템적 한계를 보완한다면 자동차나 무인 항공기용 경량 SAR로도 개발이 가능할 것이라 기대 된다.
그러나 힐버트 변환은 수학적으로 허수부분을 계산하는 것이기 때문에 파형의 진폭이 일정해야 정확한 위상 값을 측정할 수 있다. 따라서 샘플링 주파수를 높이거나 변조율(chirp rate)을 느리게 할 수 밖에 없었고, 이는 향후 I/Q를 동시에 샘플링하는 방식으로 바꾸면 해결될 것으로 기대된다. 자료의 노이즈를 감소하기 위해 Range Hanning 필터를 적용한 후에 MIT에서 제공하는ω-k Algorithm으로 코딩 된 프로그램(Charvat, 2007; Walter, 1995)과 GB-SAR 영상화에 사용되는 DerampFFT Algorithm(DFA)을 적용하여 각각 영상화하고 비교 하였다.
1 KHz)의 한계, 허수 영역에서의 샘플링이 불가능한 점, 그리고 기계적인 출력문제 등의 한계점을 가지고 있다. 이러한 시스템적 한계를 보완한다면 자동차나 무인 항공기용 경량 SAR로도 개발이 가능할 것이라 기대 된다.
이 실험은 S-band 레이다를 제작하고 교육용으로 사용할수 있다는 것을 보여주며, 제작비용이 수십 만원이기 때문에 대학이나 연구소에서 교육용으로 사용하기에 부담되지 않을 것으로 판단된다. 이로써 우리나라에 부족한 레이다 분야의 전문인력을 교육하는 데에 도움을 줄 것이라 생각된다. 그러나 이 논문에서 제작된 레이다는 오디오 리코더 시스템을 이용한 낮은 샘플링 주파수(44.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원격탐사에서 주로 사용되는 레이다 시스템은 무엇이 있는가?
원격탐사에서 주로 사용되는 레이다 시스템에는 인공위성, 항공기 및 지상용 SAR 시스템을 비롯하여 산란계와 도플러 레이다 등이 있다. 이러한 시스템들은 고가의 장비들로 구성되며, 운용하는 데에 매우 전문적인 기술을 필요로 한다.
SAR는 어떤 장점이 있는가?
원격탐사에서 사용되는 레이다(Radar) 시스템은 대표적으로 합성구경레이다(Synthetic Aperture Radar; SAR) 나 마이크로파 산란계(microwave scatterometer), 전파고 도계 및 도플러 레이다의 형태로 응용되고 있다. 인공위성이나 항공기에 탑재된 SAR는 전 지구에서 넓은 범위를 태양고도와 대기조건에 관계없이 고해상도의 영상을 획득 할 수 있어 다양한 과학분야 및 군사적 목적으로 널리 사용되고 있다(Lee, 2006). 지상용 SAR(GB-SAR)는 안테나의 반복적 위치제어가 용이하기 때문에, 비록 제한된 영역일지라도 시공간적으로 고해상도의 이차원 영상의 획득이 가능하다(Lee et al.
원격탐사에서 사용되는 레이다들의 종류와 각각의 특징은?
인공위성이나 항공기에 탑재된 SAR는 전 지구에서 넓은 범위를 태양고도와 대기조건에 관계없이 고해상도의 영상을 획득 할 수 있어 다양한 과학분야 및 군사적 목적으로 널리 사용되고 있다(Lee, 2006). 지상용 SAR(GB-SAR)는 안테나의 반복적 위치제어가 용이하기 때문에, 비록 제한된 영역일지라도 시공간적으로 고해상도의 이차원 영상의 획득이 가능하다(Lee et al., 2007a). 마이크로파 산란계나 전파 고도계는 거리해상도를 가지는 레이다의 특성을 이용하고 있으며, 도플러 레이다는 움직이는 대상체의 속도를 원거리에서 측정할 수 있어 속도측정기로 널리 활용되고 있다.
참고문헌 (8)
Charvat G.L., 2007. A Low-Power Radar Imaging System 2nd Edition, Michigan State University, Michigan, USA.
Charvat G.L., A.J. Fenn, and B.T. Perry, 2012. The MIT IAP Radar Course: Build a Small Radar System Capable of Sensing Range, Doppler, and Synthetic Aperture (SAR) Imaging, Proc. of Radar Conference (RADAR) 2012 IEEE, Atlanta, GA, 7-11 May, pp. 138-144.
Lee H., 2006. Investigation of SAR Systems, Technologies and Application Fields by a Statistical Analysis of SAR-related Journal Papers, Korean Journal of Remote Sensing, 22(2): 153-174 (in Korean with English abstract).
Lee H., S.J. Cho, N.H. Sung, and J.H. Kim, 2007a. Development of a GB-SAR (I): System Configuration and Interferometry, Korean Journal of Remote Sensing, 23(4): 237-245 (in Korean with English abstract).
Lee H., S.J. Cho, N.H. Sung, and J.H. Kim, 2007b. Development of a GB-SAR (II): Focusing Algorithms, Korean Journal of Remote Sensing, 23(4): 247-256 (in Korean with English abstract).
MIT OpenCourseWare Website, 2011. Build a Small Radar System Capable of Sensing Range, Doppler, and Synthetic Aperture Radar Imaging. Retrieved from http://ocw.mit.edu/resources/res-ll-003-build-a-small-radar-system-capable-of-sensing-range-doppler-and-synthetic-aperture-radar-imaging-january-iap-2011/index.htm
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